高地震烈度区塑性混凝土防渗墙配合比设计与应用.pdf

规划设计 东北水利水电 2 0 1 1 年第 5 期 【 文章编号 1 o o 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 1 40 3 高地震烈度区塑性混凝土防渗墙配合比设计与应用 万翔鸿 ， 张亮， 郝天娇 ( 中国水利水 电一局基础工程分局 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 4 1 ) 摘 要】 文中叙述 了利用河床大量发育粉细砂作为土坝基础。在高地震烈度区修建大型水利 枢纽工程 ， 对基础防渗工程中的抗震设计采用塑性混凝土防渗墙。防渗墙混凝土配合比决定 着防渗墙的性能能否满足防渗、 抗震要求。为满足哈达山水利枢纽工程 中混凝土防渗墙的各 项指标 。 进行 了一 系列试验和试 配， 确 定 了合理 的施 工配合 比， 本文全 面分析和总结 了试验 成 果和 试 验 方 法 。 关键词高地震烈度 区； 塑性混凝土配合比； 设计应用 中图分类号】 T V 5 4 3 + 8 2 文献标识码】 A 1 概述 啥达山水利枢 纽工程位 于第二松花江下游河 段 ， 距第二松花江 与嫩江汇合 口处约 6 0 k m， 是第 二松花江干流最后一级控制性工程。 工程规模 为大( 1 ) 型工程 ， 工程等别为 I等 ， 主要建筑物为 1级建筑物 ， 次要建筑物为 3 级 。主 要建筑物地震设计烈度为 I I 度。坝址区地处稳 定性较差地 区 ， 根据 G B1 8 3 0 6 2 0 0 1 ， 枢纽工程区和库区左岸防护堤地段 地震 动峰值加速度为 0 2 g ， 相 应地震基本烈度为 度。 粘土均质坝布 置在取水及 门库坝段右侧 ， 坝 基 砂 层 厚 度 1 2 2 2 m，坝 基 砂 层 渗透 系数 K= 7 4 8 x1 0 - N 2 3 8 x 1 0 - 2 c m s ， 坝址处 于 8度地震 区。 粘土均质坝 ， 基础防渗采 用塑性混凝土防渗墙 ， 厚 0 4 0 m， 上部深入坝体 2 0 0 m， 底部深入基岩 2 - 3 m。 塑性混 凝土防渗墙左侧与取水 门库坝段衔接桩 号 0 + 5 1 2 5 O ， 右侧防渗墙处理至桩号 2 + 5 7 0 0 0 ， 塑 性混凝土防渗墙最大深度达 2 5 m。覆盖层主要由 冲积或风积 的中砂、 砾质 中砂组成 ， 砂层的密实度 低 ， 透 水性强 ， 存 在 渗漏 、 渗透 变形( 其 类型为 管 涌 ) 和地震液化 问题。 由于工程处在高地震烈度 区，防渗墙 的防渗 与抗震性能是防渗墙的设计关键 ，要求防渗墙防 】 4 渗性能好 ， 且抗变形能力强。设计要求的塑性混凝 土防渗墙墙体性能指标 ：容重不小于 2 1 0 0 k g m3 ； 抗压 强度 R 甥2 5 MP a ；弹性模 量 E z s = 6 0 0 - 8 0 0 MP a ；渗透系数 5 0 ； 入孔塌 落度 1 8 - 2 2 cm，扩 散度 3 4 4 0 c m， 塌落度保持 1 5 c m 以上时 间不小于 1 h ； 初凝时间不小于 6 h ， 终凝时间不宜 大于 2 4 h 。 2 混凝土配合 比设计 塑性混凝土原材料主要有水泥、 膨润土( 或黏 土 ) 砂厂骨料 、 粉煤灰 、 外加剂。通过调整各种材料 用量来达到满足工程要求的混凝土性能。而塑性 混凝土防渗墙的应 力状态 ，在很大程度上取决于 其受力后 的变形 与周 围土层 的变形 相协调 的能 力。因此 ， 塑性混凝土防渗墙设计的关键是根据周 围土层 的变形 曲线 ( 即塑性混凝土防渗土的非线 性指数 A) 、 材料 的强度、 变形模量 、 极 限应变乃至 应 力应变关系等 力学性能，进而确定塑性混凝土 材料的最优配合比。塑性混凝土防渗墙的设计问 题 ， 从本质上来说是一个“ 结构材料配合比设计的 优化 与控制” 问题。与普通混凝土的设计相 比， 由 于塑性混凝土组成的原材料较多，影响其力学性 能的因素复杂 ，相应增加 了塑性混凝土配合 比设 2 0 1 1 年第 5期 东北水利水电 规划设计 计的难度和复杂性 。 经验表明 ，混凝土原材 料 中各 组成与混凝 土 特性 影响程度均有所不 同。按照清华大学 王清友 教授 多年研究 的成果及现场混凝 土施工试验成 果 资料 ，总结 出塑性混凝土防渗墙 主要成份对混凝 土特性 的影响( 见表 1 ) 。 表 1 塑性 混凝土防渗 墙主要成 份对 混凝土 特性 影响表 考虑本工程地处 8度地 震 区，建基 面 以下为 砂 土 ， 厚 1 5 2 5 m， 基础 岩石 为泥 岩 ， 强 风化 带岩 石弹性模量为 2 G P a左右 ， 属于软岩 ， 采 用塑性混 凝 土防渗墙能更好地适应应 力变形及抗震要求。 本工程塑性混凝 土防渗 墙最 大深度 达 2 5 m， 上下游最 大水头差 6 4 2 m，根据大坝在 正常蓄水 后的防渗墙坝体渗流计算 ，塑性混凝土 防渗墙 允 许渗透 比降取 5 0 ，防渗墙 所需 最小厚度 0 1 3 m。 参考国内外 已建防渗墙 的经验 ，塑性 混凝土防渗 墙有抗渗 性能好 ， 变形 模量低 ， 极 限应变值 大 ， 适 应变形 能力强等特 点。从施工条件考 虑 ， 为保证防 渗墙施 工质量及效 果 ， 防渗墙厚 度选 用 0 4 m。 塑性混凝土防渗墙 的设计指标 为 ：防渗墙 厚 度选 用 0 4 m， 2 8 d弹性 模量 8 0 0 1 0 0 0 MP a ， 抗 压强 度大 于等于 2 5 MP a ， 渗 透 系数小 于 ( 1 9 ) 1 0 一 e c m s 。防渗墙的设计深度为 ： 防渗墙顶插入粘 土均质坝 内 2 0 m， 为 了使混凝土防渗墙 与粘 土很 好结合 ， 在二者结合部位填筑 高塑性粘 土 ； 防渗墙 底部嵌入泥岩强风化层 内 1 0 0 m，遇构造破碎带 嵌入 2 0 O m。 坝基覆盖层下基岩透 水率为 0 1 1 0 L ( m i n m m) 。考 虑本 工程上 下游 最大 水头 差仅 为 6 4 2 m，防渗墙 与基岩接触部位不存在渗透稳定 问题 ， 同时通过基岩 的渗漏量较小 ，防渗墙下基岩内设 置防渗帷幕必要性不大 。从必要性及经济角度考 虑 ， 防渗墙 以下可不设防渗帷幕。 根据工程要求和塑性混凝土特性要求、 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水 工混凝土试验 规程 、 DL T 5 1 9 9 2 0 0 4 ( 水 电水利 工程 混凝土 防渗墙施工规范进行混凝土 配合 比设计与试验 。为减少配合 比试验 工作量 ， 简 化试验 工作 ， 降低试验成 本 ， 利用正交 法的“ 均 匀 分散性” 和 “ 整齐可 比性 ” 原则 ， 排选水平 因数制定 为 3因素 4水 平表 ， 选 L 1 6 ( 4 s ) 正交表 安排试验。 其 因素水 平、 试验设计方案分别见表 2 ， 3 。 表 2 因数水平表 通过上述设计 ，将 4 3 = 6 4个配合 比简化为 1 6 个 ， 充分显示 了正交法设计的优点。 1 5 规划设计 东北水利水电 2 0 l 1 年第 5 朔 3 混凝土 配合 比试验 3 1 原 材料 配合 比试验 中水泥 采 用普通硅 酸盐水 泥 ， 强 度等级 4 2 5 ； 细骨料 为天然河砂一 中砂 ； 粗骨料为 天然卵石 ， 5 4 0 mm的混合料 ； 掺合料为辽宁黑山 生产 的三级钙基膨润土 ； 外加剂 为木钙减水剂 ； 水 采 用自来水。原材料经检验主要性能指标均符合 设计要求。 3 2 配合比试验 按已选好的各配合 比同时进行试验 ，各组试 验成果见表 4 。 裹 4 各组 配合比试验成 果表 由表 4中的混凝土 7 d抗压强度 值分析试验 结果推算 2 8 d抗压强度 ， 5号 ， 1 0号 ， 1 3号 ， 1 4号 ， 1 6 1 5号 ， 1 6号满足设计强度 ， 进行 下一步试验 ， 检测 新拌混凝土性能见表 5 。 3 3 施工混凝土配合比确定 由表 5可见 ，编号 1 O ， 1 5的防渗墙塑性混凝 土配合 比中各项指标均能满足设计要求 ，综合考 虑 经济合理性 ， 确定编号 1 0的防渗墙塑性混凝土 配合比为施工配合比， 见表 6 。 表 6 编号 1 0防渗墙塑性 混凝土配合 比表 注 ： 骨料 为 5 - 4 0 r n n l 二级配。 4 塑性混凝土 防渗 墙配合 比优化与施工 在塑性混凝土配合 比确定后 ，防渗墙 主体工 程正式施工前 ， 在坝区场外进行防渗墙的成槽、 成 墙 工艺试验。在成墙 2 8 d后 ，对试验部位的墙体 进行深 6 m 的全断面开挖及墙头钻孔取芯、注水 试验等检验 ， 墙体连续性较好 ， 墙体渗透性小于设 计要求的指标 ，墙体与基岩的接触部位透水性较 强 ， 达 0 3 L ( mi n m m1 左右 ， 有必 要对墙 底进行 处理 。由于墙体强度太低、 墙体混凝土中骨料硬度 与胶结材料硬度差别大， 钻孔取芯没有成功， 只取 出石子 ， 孔壁研磨严重。经与设计 、 监理共同研究 ， 将二级配混凝土改为一级配 ， 其它掺 量不变， 膨润 土和外加剂采用“ 干掺法” 。为此通过现场试配 ， 调 整后的混凝土强度略有增加 ，其它指标均能达到 设计要求。 2 0 0 9年 8 9月施工一期围堰 内防渗墙部分 ， 投入主要施 工人员 2 5人 ， 液压抓 斗 1 台 ， 共完成 防渗墙轴线长 2 3 5 m， 形成防渗墙 3 8 0 0 m2 ， 剩余 ( 下转第 2 6 页 ) 规划设计 东北水利水电 2 0 1 1 年第 5期 以看 出，坝基在桩号 0 + 5 0 0 - 0 + 8 3 0 ， 1 + 2 5 0 - 1 +8 0 0 存在渗漏 问题。估算渗漏量 7 4 7 0 m3 d 。 2) 渗透稳定分析。 2 0 0 1 年第 3次除险加固后防 渗墙( 桩号 0 + 8 3 0 ,- - 1 + 2 5 0 ) 范围内测压管水位下降 ， 桩号 0 + 9 3 0处测压管水位下降 1 9 9 m， 在防渗墙两 侧桩号 0 + 7 0 0 ， 1 + 7 0 0测压管水位均升高 0 7 2 m。 2 0 0 6年测压管水位 与 2 0 0 2年测压管水位比较 ， 在 桩号 0 + 7 0 0 ， 0 + 8 0 0 ， 1 + 3 0 0处测压 管水位分别升高 0 3 2 ， 2 6 6 ， 3 5 1 m， 说 明桩号 0 + 7 0 0 ( S 0 7 0 0 A 测压 管底高程 1 2 9 6 m ) ， 1 + 3 0 0 ( $ 1 3 0 0 A测压管管底高 程 7 2 9 m】 ； 附近坝基浅部存在持续破坏 的情况 ， 桩 号 0 + 8 0 0 ( S 0 8 0 0 A测压 管管底高程为一 2 2 6 m) 坝 基底部覆盖 层与基岩接触部位有较严重 的持续破 坏情况 ； 防渗墙以外 除桩号 1 + 9 0 0 ， 其余部位测压 管水位均较高 。可见持续破坏的部位主要分布在 第 3次加固的防渗墙 两侧 。 4 结论 1 ) 在坝段桩号 0 + 3 5 6 ， 0 + 7 0 0 ， 1 + 4 0 0附近存在 持续破坏 的趋势 ，破坏部位均在防渗体接触部位 和基岩与土体接触部位 。 2) 根据量 水堰 资料分 析 ， L 5量水堰位于桩号 1 + 6 5 0处 ， 2 0 0 2 -2 0 0 6年观 测结果 ， 一般 当库水位 高于 1 8 5 m 时可以测到渗流 量 ， 与物探探明的坝 体未压实 区基本吻合 。进一步证明坝体在桩号 1 + 5 0 0 - - - 1 + 6 2 0处 ， 坝上游侧高程为 1 8 6 2 2 6 m， 坝下 游侧高程为 1 7 - 2 0 I D范围存在未压实区。 3 ) 据 2 0 0 6年观测资料 ， 在主河床以北 除桩号 0 + 8 3 0 1 + 2 5 0以外 ，深厚覆盖层位置坝后均存 在 较高的渗透压， 渗透坡降接近或略高于临界坡降， 且在防渗墙两侧桩号 0 + 8 0 0 ， 1 + 3 0 0测压管水位持 续升高 ， 说明防渗墙两侧已产生持续的渗透破坏。 2 0 0 0年以来每年库水位在 2 0 m 以上运行时间不 足 2个月且从未达到正常蓄水位 2 1 1 6 m， 因此坝 基 尚未经过高水位的考验 。 4 ) 唐山大地震时在大坝桩号 0 + 7 3 0 0 + 9 0 0产 生 了严重 的管涌现象 ，事后在桩号 0 + 7 0 0 0 + 9 3 0 坝后采取 了压重措施 。但库 内一定范围内未做处 理 ， 经过唐山地震后砂 土层会密实， 需重新评价。 5 ) 坝基在桩 号 0 + 5 0 0 - 0 + 8 3 0 ， 1 十 2 5 l 十 8 0 0存 在渗漏问题。 6 j 针对工程地质问题， 根据 3次加固处理经验 ， 采用垂直防渗对坝体和坝基进行处理效果明显 ； 但 从于桥水库以往加固处理效果可以看出， 帷幕灌浆 对处理基岩效果较好 ，不适合含粘性土的冲积层 ； 普通高压喷射灌浆不适合含较 大粒径的砂 卵砾石 层 ； 混凝土防渗墙墙体 防渗效果较好 ， 但 与墙体 周 围土体接触部位很难处理易产生接触冲刷。 7 ) 建议在于桥水库加固中采用振孔高压 喷射 技术 ， 该技术在处理软基方面效果较好。成墙墙体 为水泥土柔性墙 ， 特点是适应 变形能力强 ， 与墙体 周边接处好 ， 不易产生接触冲刷。 参考 文献 】 1 河北省水利厅勘测设计院初步设计阶段工程地质勘察 报告 R 2 天津市水利勘测设计院坝体质量检测资料 R 3 中国水利水电科学研究院采用五种仪器探测结果资料 R 4 于桥水库管理部门观测资料 R 5 金凤英 于桥水库坝基险除加固工程可行性研究设计阶 段工程地质勘察报告 R 天津市水利勘测设计院， 2 0 0 7 【 收稿 日期】 2 0 1 1 0 1 2 4 l， ， l， ， - I l ， ， ， ， ， l l l ， ， ， ( 上接第 1 6 页 ) 3万 m2 在二期围堰 内施 工。施工过程 中严格按程 序进行原材料检验与试验 ， 防渗墙施工完成后 2 8 d ， 对防渗墙进行墙体质量检测 与检验 ， 经墙头钻孔取 芯检查、 注水试验 、 芯样室内物理 力学性能试验、 现 场弹性波透射层析成像法无损检测等一系列检测， 本次施 工的塑性混凝 土防渗墙的各项指标均满足 设计要求 ， 墙体连续性好 ， 墙体模强比较低 ， 应变适 应性强 ， 达到防渗设计、 抗震设计的目的。 26 由于在试验施工中的防渗墙在墙底入岩部分 渗透性仍较大 ， 考虑本工程水头较低 ， 建议可以不 考虑帷幕灌浆 ，但在入岩深度上应按岩层 的风 化 程度进行调整 ， 最小不得小于 2 m。在墙体中应加 密应 变、 渗透观测 ， 以及时提供观测数据 ， 发现 问 题及时处理 ， 确保枢纽安全运行。 【 收稿日期】 2 0 1 1 0 1 1 4